用于沿着待加工的轨迹引导加工头的方法与流程

本发明涉及一种用于沿着待加工的轨迹、特别是沿着待相互焊接的两个接合伙伴之间的对接口或对接缝来引导加工头、特别是激光加工头的方法。

背景技术：

在使用激光辐射焊接时，激光束必须以其形成加工点的焦点精确对准要焊接的接合对象的对接口或对接缝。为此，使用接合缝跟踪系统，其借助于三角测量传感器来检测接合缝或对接缝的实际位置，即待加工的轨迹。在这些系统中，从在激光束到工件上的入射点之前投影的光线到激光束入射点的距离以及激光入射点、即加工点的进给速度被作为参数预给定。

这种做法的缺点在于，正是在进给速度在焊接过程中变化(尤其机器人引导的激光加工头是这种情况)的运动系统中，激光入射点的实际位置偏离期望位置。其原因在于，在进给速度改变的情况下，由进给速度和距离计算出的用于跟踪激光入射点(即由激光束产生的加工点)的时间点被不正确地计算。恰恰在激光束焦点中的直径小的情况下，激光束撞击待加工轨迹、即对接口或对接缝时的准确性对于附接横截面、从而对于焊接连接质量而言是相关的参量。激光束直径越小，激光束必须越准确地射中对接口。

此外，由于从工件表面到焦点位置的距离改变，可能会出现误差。由此，投影到工件上的光线与激光在工件表面上的入射点之间的距离也改变。为了在这种错误情况下将激光束的焦点再移回到工件表面上，可以校正射束成形光具到工件表面的距离。为此例如可以调整激光加工头中的射束成形光具。然而，原则上也可以将激光加工头垂直于工件表面地调整。

由de102010060162b3已知一种用于根据光截面或三角测量法提高接合装置的加工激光引导精度的方法，其中，改变加工激光的入射点前进过程中的测量光线到入射点沿接合缝纵向方向上的距离，以便借助光截面方法从此时获得的图像数据求出工件的拓扑结构。基于对工件的拓扑结构的了解，可以补偿由高度变化引起的测量光线与激光加工点之间的距离误差。

从de102006004919a1已知另一种用于借助光截面方法沿着要焊接的接合缝引导激光加工头的方法，其中，逐渐推进地沿焊接方向将激光线投影到要焊接的接合缝上并且由图像处理单元进行测量。从激光线的图像中，确定待焊接的接合缝的轮廓以及其实际位置。从测得的待焊接的接合缝当前位置与期望位置的偏差求得校正信号，该校正信号在不考虑测量位置与焊接位置(即与加工点)的距离的情况下被直接使用，以便沿待焊接的接合缝引导确定焊接位置的激光焦点。

从de102006030130b3已知一种自适应激光加工头，其具有一个或多个光学传感器，用于测量激光加工头到工件的距离并用于测量激光加工点在垂直于距离方向的平面内、即在相应于工件表面的平面中的速度矢量。基于所使用的光学传感器和对所求得的测量数据的处理，可以沿着待加工的轨迹引导激光加工点。在这种情况下，可以根据工作点到工件表面的距离和/或根据激光束的入射方向来调节激光加工点的进给速度。

从de102009057209已知另一种激光加工头，其配备有用于工作激光束的扫描光具，借助该扫描光具，除了跟踪外还可以相对于引导速度，即相对于激光加工头的速度，减小或提高加工速度，即激光加工点相对于工件运动的速度。接合缝跟踪本身，即激光加工点沿待加工的接合缝或轨迹的引导，也是根据光截面原理借助三角测量进行。

从de102010011253a1已知另一种用于沿着待加工的轨迹引导激光加工头的方法，其中，根据光截面原理借助在加工点之前投影到加工线上的光线来检测待接合的接合缝或轨迹的位置。由于为了最佳的接合过程，加工点(即工作激光束的焦点)总是应该在预定高度上沿着要接合的接合缝移动，因此也分析评价了光线到激光束入射点的距离。根据检测到的距离，激光加工头垂直于待加工工件的表面上下移动，以保持光线距加工点的距离恒定，由此，激光加工头与工件之间的距离以及工作激光束的焦点相对于工件的位置也保持恒定。

技术实现要素：

基于此，本发明的任务是，提供用于沿着待加工的轨迹引导加工头、尤其是激光加工头的另一种方法，利用该方法，精确地沿着待加工的轨迹、即沿着要接合的对接缝或接合缝引导加工点，即特别是加工激光束的焦点。该任务通过根据权利要求1的方法来解决。在从属权利要求中描述了本发明的有利构型和扩展。

根据本发明，加工点不是按照标准在检测轨迹位置之后的预给定延迟时间之后根据该位置来调整，而是每次在加工期间分别针对每个加工点或者针对彼此相继的一组加工点从对应的实际加工速度和对应的光截面到加工中心点(tcp，toolcenterpoint)实际距离求得延迟时间。由此实现，加工点的调整总是正好在加工点位于这样的轨迹部位处的时刻进行：加工点应该被调整到该轨迹部位的位置上。由此能够几乎完全排除会显著影响加工质量的调整不准确性。

虽然原则上可以借助合适的方法测量当前加工速度，即实际加工速度，但根据本发明规定，当前加工速度被从控制加工头运动的控制单元读出并且被用作当前参数用于计算跟踪加工点的时间点。

在本发明的一个有利构型中还规定，检测工件上的光线与加工点之间在加工方向上的实际距离并将其用作当前参数用于计算跟踪加工点的时间点。由此进一步提高跟踪加工点的精度。

由于在借助激光辐射加工工件时，特别是在焊接时，需要将加工激光束的焦点始终保持与工件表面的距离不变，因此在本发明的有利构型中规定，将检测到的、光线和加工点之间的实际距离用作调节加工激光束焦点到工件表面的距离的参数。

加工激光束焦点的距离的调节在此可以或者通过移动整个激光加工头、或者通过移动激光加工头内的射束成形光具来完成。

附图说明

下面例如参考附图更详细地解释本发明。附图示出：

图1加工头的简化示意性框图，特别是具有接合缝跟踪系统的激光加工头，

图2(a)工件表面在激光入射点和光截面线的区域中的照相机图像的示意图，以及

图2(b)工件的横向于加工轨迹的示意简化剖视图，具有加工激光束和用于产生光截面线的光扇。

在附图的不同图中，彼此相应的元件设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1非常简化地示出了加工头，特别是激光加工头10，具有射束成形光具11和照相机12以及光线16，该照相机用于在加工激光束15的入射点14的区域中观察工件表面13，该加工激光束在下面也被简称为激光束15，该光线由光截面投影仪17借助光扇18投影到工件20的表面19上。

激光加工头10被未详细图示的机器控制装置沿进给方向21以与加工过程相应的速度引导。如双箭头22所示，激光加工头10可以枢转或者也可以侧向移动，以将激光束15的入射点14精确地保持在待加工的轨迹23上，即保持在两个工件部分之间的对接缝上。机器控制装置还用于调节射束成形光具11，特别是激光加工头10内的聚焦光具，如双箭头24所示。此外，也可以将整个激光加工头10按照双箭头25垂直于工件表面19调节，以调整激光焦点相对于工件20的高度位置。

图像处理单元26从由照相机12检测的图像数据求得光线16与激光束15的入射点14之间的距离d以及光线16与对接缝或轨迹23之间的交点pn在y方向上、即在横向于激光加工点10的进给方向、即横向于x方向的方向上的位置。

为了在待加工的轨迹23上、即在检测到的对接缝上精确地引导加工激光束15的入射点14，需要求得这个时间：在该时间之后激光束15的入射点14被调整到所述轨迹的所检测的位置上。

这个时间被作为距离d除以当前进给速度或加工速度的商来计算。

虽然原则上可以测量当前进给速度，但符合目的的是，计算单元27(对该计算单元除了输入从照相机图像求得的位置y(pn)外还输入激光束15的入射点14与光线16之间的距离d)从机器控制装置的控制单元读出当前加工速度。

由图像处理单元26求得的、光线16与激光束15的入射点14之间的距离d不仅被用作用于计算检测轨迹位置y(pn)和跟踪激光束15的入射点14之间的时间偏差的参数，而且还被用作用于调整激光束焦点相对于工件20的表面13的高度的参数。根据实际距离与期望距离的比较能够借助三角测量求得激光束焦点相对于工件表面13在z方向上、即垂直于工件表面13的位置。如果实际距离d小于期望距离，则相应于激光加工点即tcp的工作激光焦点位于工件表面13上方一定距离处。相反，如果实际距离大于期望距离，则激光束焦点处于工件表面13下方。

为了使激光束焦点移动到垂直于工件表面的期望位置中，一方面可以向机器控制装置输出相应的调节信号，该机器控制装置相应于双箭头25调节整个激光加工头10，如虚线25'所示。然而，也可以通过根据相应的调节信号移动或改变射束成形光具11来调节激光束焦点，如虚线24'所示。

为了确保激光加工、特别是焊接过程的质量，需要精确的接合缝跟踪。为此，根据本发明，在加工过程期间、即特别是在焊接过程期间从机器控制装置中读出实际进给速度，并且由计算单元27的软件将其用作用于计算跟踪激光入射点14的时间点的当前参数。从也由图像处理单元26求得的、光线16到激光入射点14的距离变化，即从光截面到tcp的距离变化，基于三角测量计算出激光束焦点在照射方向(z方向)上的移动。该值则被用于移动聚焦透镜或准直透镜，使得激光束焦点再次处于工件表面13上。

因而，根据本发明，为了获得精确的接合缝跟踪，不仅考虑激光加工头相对于工件的随时间变化的进给速度，而且考虑光截面到加工中心点、即到激光入射点的距离的变化。在用于加工线的横向接合缝跟踪的焦点跟踪中，在计算上将这两个值都考虑在内。